养殖工船上层建筑改进设计

张怡,王靖,王庆伟,杨索贤

(1.中国水产科学研究院 a.渔业机械仪器研究所;b.农业农村部远洋渔船与装备重点实验室,上海 200092;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室深蓝渔业工程装备技术联合实验室,山东 青岛 266237)

近年来为应对生态环境恶化、过渡捕捞等情况导致的海洋渔业资源萎缩问题,海水养殖产量逐渐超越了传统捕捞产量。

近海网箱养殖因有污染海水、养殖品质差等弊病正逐渐被包括大型网箱、固定式养殖平台、大型移动式养殖平台等的深远海养殖装备所替代[1-2]。

作为深远海养殖工船领域探索者的10万 t级“智慧渔业大型养殖工船”首制船“国信1号”已于2022年5月20日在青岛交付运营。该养殖工船使用相对封闭的船舱作为养殖鱼舱,通过管道汲取深层海水并将养殖废水通过净化处理后经排出以使养殖鱼舱水质达到适合养殖鱼类生长要求,同时降低养殖海域海水污染[3-4]。该养殖工船具有自航功能,在养殖水域面临台风或水环境不适合养殖鱼类生长的情况下可快速转场。因有航行瞭望需求,该船设计了与常规运输船同样带有驾驶室并配备航行船员居室的上层建筑,以实际建造并运营之后,发现在一些技术问题需要在设计阶段给予充分的考虑,针对这些问题提出对后续养殖工船上层建筑设计改进措施。

1 上层建筑设计依据

“国信1号”作为国信系列“智慧渔业大型养殖工船”的首制船,在设计过程中没有成熟的规范可参考。其间,中国船级社颁布了《海上渔业养殖设施检验指南》(以下简称指南),对设计工作进行指导[5]。根据指南的要求,养殖工船属于移动式养殖设施,其上层建筑的设计主要需符合《海上移动平台入级规范》《钢质海船入级规范》《国内航行海船建造规范》《海上人命安全公约》等的要求。

2 首制船上层建筑设计考量

与常规船型相比养殖工船作业工况有一定特殊性。其中,与捕捞渔船相比,养殖工船主要工况为位于养殖锚地的系泊工况,大量的船上人员主要是养殖相关作业人员与科研人员。而与海洋平台相比,在台风季或赤潮等不利的自然灾害来临,或养殖水域水温、水质有变化时,养殖工船要有转场的能力,需要配备符合自航工况要求的船员。上层建筑的设计不仅需要满足船上所有人员居住生活的要求,也要考虑到航行安全的要求。

上层建筑的设计主要分舱室布局与结构形式两大部分。根据前期调研,并经过经济性分析,以35人为设计定员数,其中15人为满足自航工况要求的船员。

除居住处所与满足航行和控制要求的诸如驾驶室、网络设备间、消防控制室的航行控制处所外,上层建筑中还需布置满足自持力要求的粮食处所、满足船上人员就餐与卫生需求的服务处所与卫生处所、满足办公与鱼类养殖需求的公共处所、养殖研究与控制的养殖实验室与养殖集控室、通道处所等。为保证航行安全,驾驶室设置高度需满足一定的视线要求[6],为减少上层建筑对甲板面通行的影响,在符合舱室数量与总面积要求的前提下尽量压缩上层建筑所占用的主甲板面积,将上层建筑设计为5层,每层甲板层高设计为3.0 m,主甲板区域上层建筑占地面积628.2 m2。

在结构形式上,上层建筑整体布局采用中央横向单走廊的长板楼式布局,整体结构采用横骨架式布局,将中央走廊设置为两道连续横舱壁并作为跨距支撑点,使上层建筑中纵桁跨距减少为6.4 m,有效控制纵桁腹板高度。为减少机舱棚与烟囱的噪音影响,烟囱与居住区域分离,烟囱前壁与居住区域后壁间距6.4 m。

3 养殖工船后续船上层建筑改进方案

3.1 首制船遇到的问题

经实船投入养殖作业后,发现上层建筑设计方案需调整,如布局方面,包括高峰工作时间厨房人员与其他人员上下楼工作动线易发生冲突、维持船舶动力的船员与养殖生产作业等其他船上人员按工作性质集中居住,导致同一时间所有的人都拥挤在唯一的楼梯间入口处;构件余量方面,结构构件尺寸取值过于保守,设计余量过大导致居室有效利用空间不足;房间数量方面,首制船规划的养殖操作人员数量经运营后发现还需增加,导致总人数大于设计定员数量,上层建筑内船员居室数量不足等。

3.2 布置改进

3.2.1 抬高驾驶室高度

已有研究表明,船舶航行时烟囱顶高于上层建筑约2.45 m可以有效防止烟囱排放的烟气回卷至上层建筑内[7]。养殖工船主要工况为系泊工况,且在转场时对航速要求不高,烟气回卷效应不明显,因此考虑适当增加上层建筑高度。

由于养殖工船主甲板有大量吊机,首制船虽然通过调整吊机位置解决了部分视线问题。但后续船考虑到为更好地观察指挥主甲板上养殖投饲装备运行情况并尽量避免吊机对视线的影响,采用抬高上层建筑整体高度的方式减小视线遮挡范围。

A甲板下由于主要布置的是空调及冷藏机室、冷库、养殖实验室等高度较高的大型设备,首制船建造之后发现局部层高剩余空间不足,设备安装困难,故在后续船设计中该层层高增加500 mm。同时,将上层建筑由5层甲板增至6层甲板,并将其余每层层高由3.0 m提高至3.1 m,驾驶室视角高度共可增加约4 m,从驾驶位置与艏部舷墙顶端连线延长线与基线的交点在1.58倍船长处,完全可以满足《国内航行海船法定检验技术规则》和《国际海上人命安全公约》的不大于两倍船长的要求见图1。

图1 上层建筑改进方案

3.2.2 增加上层建筑长度

如图2a)所示,首制船上层建筑受每层空间面积与总层数限制,船员居室布局不得不十分紧凑。为满足船员居室数量要求,大量船员居室设计为狭长形式,每间船员室平均面积16 m2,平均宽度2.25 m。卫生单元与船员室门一同布置于近走道侧。卫生单元淋浴区宽度仅够采用400 mm型号的产品,淋浴时甚至无法转身。室内为增大空间采用850 mm单人床与900 mmm的小型写字台,但剩余空间仍不足5 m2,工作人员长时间居住于如此局促的空间中不利于其心理健康。仅有一间公共会议室,管理人员居室会客区域狭窄,无法同时开展多场小型会议。后续船通过居住区域后端壁向后移动一个肋位,并结合增加一层居住甲板,使居住生活区域面积增加580 m2,为改善居住生活区域条件提供了更多可能。同时,烟囱前壁向前移动2个肋位,烟囱每层面积也可增加45.76 m2,有效改善烟囱内热气排放不畅的问题。

图2 养殖工船上层建筑典型甲板布置改进对比

3.2.3 居住区域布局

在增加居住区域总面积的前提下,采用扩大室内面积、增加房间数量、调整人员动线、挪移舱室布置的方式改进上层建筑的布局,以达到改善生活空间、符合实际需求、减少人流对冲、剥离不利环境影响的目的。

扩大室内面积,主要是扩大船员居室面积。普通船员居室增加面积至18 m2以上,其中卫生单元增加至2.3 m2,淋浴区800 mm×800 mm满足正常体型沐浴转身需求。在居室空间富足的情况下采用1 250 mm×2 050 mm大床替代单人床;6间高级船员房间采用包含会客空间的套间形式,既保证隐私又可在会客空间召集小型会议。首制船的会议室面积狭小,仅能召开14位人员的会议,大型会议只能使用餐厅,后续船采用46 m2的大会议室布局,一次会议可容纳近30位人员,同时增加投影仪使用区域以适应会议实际需要。扩大养殖部、甲板部、轮机部办公室面积,为更多管理人员提供办公空间。

增加房间数量,一方面是增加定员至40人,保证养殖工作人数需求,相应增加居住舱室;另一方面是增加符合海事局《船舶与海上设施法定检验规则》要求的娱乐室、健身房等,满足船员休息娱乐的需求。为便于高级船员餐厅和普通船员餐厅分别配餐,增设一间配餐间。

调整人员动线见图2。

主要措施为在将上层建筑内“丰”字型单走道布局改为“回”字型走道布局,将内部主楼梯每层原仅一个出入口调整为两个出入口,单个楼梯间入口由通达最大20个居室减少为9个居室,减少人流双向汇集。通过增设电梯,并结合工作时间与同时搭载人数选择合适承载能力的电梯型号进一步减少梯道对冲现象。电梯间设于靠近食品库处,便于搬运食品至厨房。每层船员居室由相同工作性质布置在一起,改为以工作时间分配居室,使相同工作时间的人员分布居住于各层中,同一时段每层进入梯道或电梯的人员均布。

挪移舱室布置,包括房间在整个上层建筑范围内的分布形式、房间内部硬软装的布置形式调整及上层建筑区域设备摆放位置的调整。对于居住生活环境有不利影响的存放二氧化碳、垃圾、应急发电等舱室改进布置到机舱棚及烟囱区域,改善居住生活条件。考虑到养殖工船的主业,需要定期解剖研究鱼体以检验养殖效果,在养殖实验室面积基本不变的前提下重新布置内部布局,采用统一的中央试验台替代分散布置的实验台,使原限于6人的空间可以容纳更多实验人员。

3.2.4 烟囱布局

经首制船实船验证,烟囱内噪音对居住区域影响有限,故在后续船中将烟囱前壁向艏部移动2个肋位,增加机舱棚与烟囱占地面积。结合机舱内将主机位置移动至烟囱正下方的优化方案,减少主机排烟管道因直角转弯过多导致的排放不畅的问题。扩大后的烟囱面积也使尾气的热量更快扩散并通过烟囱艉部顶端的百叶窗散热。

3.3 结构改进

3.3.1 原则

结构改进以安全为前提,通过保证结构构件尺寸在满足规范计算要求的范围内减少取值余量及改变结构形式等方式,以使在上层建筑总体积增加的情况下尽量减少结构重量过多增加,同时考虑避免截面积过小导致产生振动等不利影响,兼顾考虑施工便利性避免产生施工人员无法进入的小空间区域。

3.3.2 结构形式

改进后的上层建筑内部布局因采用“回”字型布局,中央走道、电梯井、电缆通道、洗衣间等区域整体采用钢质舱壁强结构,船员房间围壁不再采用首制船做为跨距支撑点的形式,甲板骨架采用与主船体纵骨间距一致的纵骨架式,较首制船的横骨架式跨距减小25%,减少结构骨材的剖面积。纵壁采用横骨架式扶强材形式即兼顾结构强度要求,又便于上层建筑内部冷凝水沿竖向扶强材快速排出,避免因采用水平纵骨而产生长期积水导致锈蚀等不利影响。

3.3.3 结构强度

首制船上层建筑居住区域与烟囱部分完全分离,当因极端波浪引发船体产生纵向扭曲时,两部分结构会对主甲板产生撕扯,尤其是主甲板机舱棚大开口区域缺少有效结构支撑,存在较大安全隐患。后续船通过在B甲板区域使烟囱与居住区域连通,主甲板与B甲板形成框架结构增加上层建筑整体结构强度,同时烟囱与居住区域仍保持一定距离减少烟囱噪声对居住区域的影响。

3.4 救生艇布置改进

首制船救生艇位于上层建筑A甲板上,所有人必须通过室外楼梯到达,应急情况发生时会存在人员滞留于楼梯上等待的情况。后续船将救生艇移至船艉主甲板上,当预备登艇时人员可在空旷的主甲板上等待。

4 改进前后设计方案对比

4.1 结构重量

根据后续船设计方案,上层建筑不仅整体占地面积增大,总高度也较首制船有一定提高,若结构构件直接采用首制船的规格,后续船上层建筑结构部分总重量与首制船相比必然有所增加。

上层建筑结构总重量

P=P驾驶室+nP’+P烟囱

式中:P驾驶室为驾驶室结构重量;n为上层建筑驾驶室以下层数;P’为居住区域驾驶室下单层平均结构重量;P烟囱为烟囱区域结构重量。

上层建筑改进前后结构重量对比见表1。

表1 上层建筑改进前后结构重量对比 t

注*:首制船为4层居住区域平均值,改进后后续船为5层居住区域平均值。

首制船居住区域驾驶室下每层平均面积约435 m2,后续船约为460 m2,后续船层高也比首制船高100 mm,改进后的上层建筑居住区域每层总体积虽与首制船相比有所增加,但结构重量并未大幅增加,单层结构重量仍为107 t,而烟囱区域结构重量甚至大幅下降,最终改进后的上层建筑结构重量比首制船更轻。

后续船在结构方面主要采用以下改进措施。

1)首制船甲板面采用的是横骨架式,所需甲板横梁剖面模数W经计算需达到55 cm3,而后续船改成纵骨架式后甲板纵骨剖面模数W经计算只需达到37 cm3,在构件总长度不变的情况下骨材横剖面减少33%,减少相应的结构重量。

2)强肋骨在符合规范要求的前提下采用了横截面积更小的构件。

3)上层建筑舱壁板材因跨距减小,板材总面积减小同时采用更薄的规格,舱壁扶强材也在符合规范的前提下采用截面积更小的规格。

4)烟囱上部宽度减小,通过改进烟囱整体体积,大幅减少烟囱结构重量。

通过这些结构改进措施抵消了整个上层建筑因整体体积增加后对结构重量带来的不利影响。

4.2 动线对比分析

首制船上层建筑中养殖人员主要居住于B、C甲板,与维持养殖工船航行工况的船员共同居住,所有人员都需主要经过中央梯道上下楼。根据养殖工作每日定时投喂的特点(每天投喂频次为3次),养殖人员需在投喂前从居室经走廊、中央梯道到达主甲板的养殖集控室、养殖工更衣室、各养殖鱼舱等处;厨房人员又需要每日3次通过主甲板处的食品库经中央梯道搬运食物至位于A甲板的厨房处;甲板部人员需通过中央梯道至驾驶室、机舱等处;高峰时唯一的梯道上楼与下楼人流冲突,尤其是当养殖工作发生状况养殖人员需下楼处理又遇厨房人员搬运食物上楼的极端情况极易发生碰撞事故。后续船增加1台电梯,其批量间断运输功能可有效减少中央梯道人流对冲现象,搬运重物或不急于上下楼的人员可在走廊内等候,与急于通过梯道下楼的人员分流。即使是在发生火灾、失电等紧急情况下,中央梯道采用的双门设计也可将单向下楼撤离人流更快疏散至主甲板等开阔处。